17-й век был благоприятным временем для наук, когда были сделаны принципиально новые открытия в области астрономии, физики, механики, оптики и естественных наук. В центре всего этого был сэр Исаак Ньютон, человек, который широко известен как один из самых влиятельных ученых всех времен и ключевая фигура в научной революции.
Английский физик и математик, Ньютон сделал несколько оригинальных вкладов в области оптики и делится кредитом с Готфридом Лейбницем за разработку исчисления. Но это была публикация Ньютона Философия Naturalis Principia Mathematica («Математические основы естественной философии»), которыми он наиболее известен. Опубликованный в 1687 году, этот трактат заложил основы классической механики, традиции, которая будет доминировать во взглядах ученых на физическую вселенную в течение следующих трех столетий.
Ранние годы:
Исаак Ньютон родился 4 января 1643 года - или 25 декабря 1642 года в соответствии с юлианским календарем (который в то время использовался в Англии) - в деревне Вулстхорп-бай-Колстерворт, графстве Линкольншир. Его отец, в честь которого он был назван, был преуспевающим фермером, который умер за три месяца до его рождения. Родившись преждевременно, Ньютон был маленьким, как ребенок.
Его мать, Ханна Эйскоф, вышла замуж за трехлетнего преподобного, оставив Ньютона на попечении его бабушки по материнской линии. У его матери будет еще трое детей от ее нового мужа, который стал единственным родным братом Ньютона. Из-за этого у Ньютона, очевидно, были непростые отношения с отчимом и матерью.
К тому времени, когда Ньютону было 17 лет, его мать снова овдовела. Несмотря на ее надежды на то, что Ньютон станет фермером, как и его отец, Ньютон ненавидела фермерство и стремилась стать академиком. Его интересы в технике, математике и астрономии были очевидны с раннего возраста, и Ньютон начал свое обучение со способностью учиться и изобретать, что будет длиться до конца его жизни.
Образование:
В возрасте от 12 до 21 года Ньютон получил образование в Королевской школе в Грэнтэме, где изучал латынь. Там он стал лучшим учеником и получил признание за создание солнечных часов и моделей ветряных мельниц. К 1661 году он был принят в Тринити-колледж в Кембридже, где он оплатил свой путь, выполняя обязанности камердинера (так называемый субизар).
В течение первых трех лет обучения в Кембридже Ньютон обучался стандартной программе обучения, основанной на теории Аристотеля. Но Ньютон был очарован более продвинутой наукой и проводил все свое свободное время за чтением работ современных философов и астрономов, таких как Рене Декарт, Галилео Галилей, Томас-стрит и Иоганн Кеплер.
Результатом было менее звездное выступление, но его двойная направленность также заставила бы его сделать некоторые из его самых глубоких научных вкладов. В 1664 году Ньютон получил стипендию, которая гарантировала ему еще четыре года, пока он не получит степень магистра искусств.
В 1665 году, вскоре после того, как Ньютон получил степень бакалавра, университет был временно закрыт из-за начала Великой чумы. Используя это время для учебы дома, Ньютон разработал ряд идей, которые он в конечном итоге закрепил, чтобы стать его теориями по исчислению, оптике и закону гравитации (см. Ниже).
В 1667 году он вернулся в Кембридж и был избран в качестве члена Тринити, хотя его выступление все еще считалось менее впечатляющим. Однако со временем его состояние улучшилось, и он получил признание за свои способности. В 1669 году он получил степень магистра искусств (до того, как ему исполнилось 27 лет) и опубликовал трактат с изложением своих математических теорий о работе с бесконечными рядами.
К 1669 году он сменил своего бывшего учителя и наставника Исаака Барроу - теолога и математика, который открыл фундаментальную теорему исчисления - и стал кафедрой математики Лукавского университета в Кембридже. В 1672 году он был избран членом Королевского общества, частью которого он оставался до конца своей жизни.
Научные достижения:
Во время учебы в Кембридже Ньютон вел второй набор заметок, которые он озаглавил «Quaestiones Quaedam Philosophicae” (“Некоторые философские вопросы«). Эти записи, которые были суммой наблюдений Ньютона о механической философии, привели его к открытию обобщенной теоремы о биномах в 1665 году и позволили ему разработать математическую теорию, которая привела бы к его развитию современного исчисления.
Однако самые ранние вклады Ньютона были в форме оптики, которую он произносил во время ежегодных лекций, занимая должность кафедры математики Лукавского. В 1666 году он заметил, что свет, попадающий в призму в виде кругового луча, выходит в виде продолговатой формы, демонстрируя, что призма преломляет разные цвета света под разными углами. Это привело его к выводу, что цвет является свойством света, и этот вопрос обсуждался в предыдущие годы.
В 1668 году он спроектировал и сконструировал отражающий телескоп, который помог ему доказать свою теорию. С 1670 по 1672 год Ньютон продолжал читать лекции по оптике и исследовал преломление света, демонстрируя, что многоцветный спектр, создаваемый призмой, может быть преобразован в белый свет с помощью линзы и второй призмы.
Он также продемонстрировал, что цветной свет не меняет своих свойств, независимо от того, отражается он, рассеивается или пропускается. Таким образом, он заметил, что цвет - это результат взаимодействия объектов с уже окрашенным светом, а не сами объекты, создающие цвет. Это известно как теория цвета Ньютона.
Королевское общество попросило о демонстрации его отражающего телескопа в 1671 году, и интерес организации побудил Ньютона опубликовать его теории о свете, оптике и цвете. Это он сделал в 1672 году в небольшом трактате под названием ОF Цвета, который позже будет опубликован в более крупном томе, содержащем его теории о «корпускулярной» природе света.
По сути, Ньютон утверждал, что свет состоит из частиц (или корпускул), которые, как он утверждал, преломляются при ускорении в более плотную среду. В 1675 году он опубликовал эту теорию в трактате под названием «Гипотеза света »в которой он также утверждал, что обычная материя состоит из более крупных корпускул и о существовании эфира, передающего силы между частицами.
После обсуждения его идей с Генри Мором, английским теософом и членом кембриджских платонистов, интерес Ньютона к алхимии возродился. Затем он заменил свою теорию эфира, существующего между частицами в природе, оккультными силами, основанными на герметических идеях притяжения и отталкивания между частицами. Это отражало постоянный интерес Ньютона к алхимическому и научному, для которого в то время не было четкого различия.
В 1704 году Ньютон опубликовал все свои теории о свете, оптике и цветах в одном томе Оптика: или, трактат об отражениях, преломлениях, перегибах и цветах света, В нем он предположил, что свет и материя могут превращаться друг в друга посредством своего рода алхимической трансмутации, и граничил с теориями звуковых волн, чтобы объяснить повторяющиеся закономерности отражения и передачи.
В то время как более поздние физики предпочитали чисто волнообразное объяснение света для объяснения интерференционных картин и общего явления дифракции, их результаты во многом были обязаны теориям Ньютона. То же самое относится и к сегодняшней квантовой механике, фотонам и идее дуальности волны-частицы, которые имеют лишь небольшое сходство с пониманием света Ньютоном.
Хотя и ему, и Лейбницу приписывают то, что они разработали исчисление независимо, оба мужчины были вовлечены в полемику из-за того, кто обнаружил это первым. Хотя работа Ньютона по разработке современного исчисления началась в 1660-х годах, он не хотел его публиковать, опасаясь противоречий и критики. Таким образом, Ньютон ничего не публиковал до 1693 года и не давал полного отчета о своей работе до 1704 года, тогда как Лейбниц начал публиковать полный отчет о своих методах в 1684 году.
Однако в более ранних работах Ньютона по механике и астрономии широко использовалось исчисление в геометрической форме. Это включает в себя методы, включающие «один или несколько порядков бесконечно малых» в его работе 1684 года, De motu corporum в извилине (“На движение тел на орбите »), а в Книге I Principia, который он назвал «методом первого и последнего соотношений».
Универсальная гравитация:
В 1678 году Ньютон пережил полный нервный срыв, скорее всего, из-за переутомления и продолжающейся вражды с другим членом Королевского общества Робертом Гуком (см. Ниже). Смерть его матери год спустя привела к тому, что он стал все более изолированным, и в течение шести лет он отказывался от переписки с другими учеными, за исключением тех случаев, когда они инициировали это.
Во время этого перерыва Ньютон возобновил свой интерес к механике и астрономии. По иронии судьбы, именно благодаря краткому обмену письмами в 1679 и 1680 годах с Робертом Гуком он смог добиться своих самых больших научных достижений. Его пробуждение было также связано с появлением кометы зимой 1680–1681 годов, о которой он переписывался с Джоном Фламстидом - английским астрономом Роялом.
После этого Ньютон начал рассматривать гравитацию и ее влияние на орбиты планет, особенно в связи с законами движения планет Кеплера. После обмена с Гуком он разработал доказательство того, что эллиптическая форма планетарных орбит будет результатом центростремительной силы, обратно пропорциональной квадрату вектора радиуса.
Ньютон сообщил свои результаты Эдмонду Халли (первооткрывателю «Кометы Хейли») и Королевскому обществу в его De motu corporum в извилине. Этот трактат, опубликованный в 1684 году, содержал семя, которое Ньютон расширил бы, чтобы сформировать свой опус магнум, Principia, Этот трактат, опубликованный в июле 1687 года, содержал три закона движения Ньютона. Эти законы гласили, что:
- При просмотре в инерциальной системе отсчета объект либо остается в покое, либо продолжает двигаться с постоянной скоростью, если на него не действует внешняя сила.
- Векторная сумма внешних сил (F) на объекте равна массе (м) этого объекта, умноженного на вектор ускорения (а) объекта. В математической форме это выражается как: F =м
- Когда одно тело прилагает силу ко второму телу, второе тело одновременно прилагает силу, равную по величине и противоположную по направлению к первому телу.
Вместе эти законы описывали отношения между любым объектом, силами, действующими на него, и возникающим в результате движением, закладывая фундамент для классической механики. Законы также позволили Ньютону рассчитать массу каждой планеты, вычислить уплощение Земли на полюсах и выпуклость на экваторе, а также то, как гравитационное притяжение Солнца и Луны создает приливы Земли.
В той же работе Ньютон представил исчисленный метод геометрического анализа с использованием «первого и последнего соотношений», определил скорость звука в воздухе (на основе закона Бойля), объяснив прецессию равноденствий (которые он показал, были результат гравитационного притяжения Луны к Земле), инициировал гравитационное исследование нарушений в движении Луны, предоставил теорию для определения орбит комет и многое другое.
Этот том оказал бы глубокое влияние на науку, и его принципы оставались каноническими в течение следующих 200 лет. Оно также послужило основой для концепции всеобщей гравитации, которая стала основой современной астрономии и не будет пересмотрена до 20-го века - с открытием квантовой механики и теории общей теории относительности Эйнштейна.
Ньютон и «инцидент с Apple»:
История о том, что Ньютон выдвинул свою теорию всемирного тяготения в результате падения яблока на его голову, стала основой популярной культуры. И хотя часто утверждается, что история является апокрифической, и Ньютон ни разу не разработал свою теорию, сам Ньютон много раз рассказывал эту историю и утверждал, что инцидент вдохновил его.
Кроме того, работы Уильяма Стукли - английского священника, антиквара и члена Королевского общества - подтвердили эту историю. Но вместо смешного изображения яблока, поражающего Нетвона по голове, Стукли описал в своем Воспоминания о жизни сэра Исаака Ньютона (1752) разговор, в котором Ньютон описал размышление о природе гравитации, наблюдая за падением яблока.
«… Мы пошли в сад и выпили их под сенью каких-то яблок; только он и я. он сказал мне, что среди других рассуждений он просто находился в той же ситуации, что и раньше, когда ему приходило в голову понятие гравитации. «Почему это яблоко всегда должно опускаться перпендикулярно земле», - подумал он про себя; из-за падения яблока ...
Джон Кондуитт, помощник Ньютона в Королевском монетном дворе (который в итоге женился на своей племяннице), также рассказал, что слышал эту историю в своем собственном рассказе о жизни Ньютона. По словам Кондуитта, инцидент произошел в 1666 году, когда Ньютон путешествовал, чтобы встретиться со своей матерью в Линкольншире. Блуждая в саду, он размышлял о том, как влияние гравитации простирается далеко за пределы Земли, что является причиной падения яблока, а также орбиты Луны.
Точно так же Вольтер писал Очерк эпической поэзии (1727), что Ньютон впервые подумал о системе гравитации, гуляя по своему саду и наблюдая, как яблоко падает с дерева. Это согласуется с записями Ньютона 1660-х годов, которые показывают, что он боролся с идеей о том, как земная гравитация простирается в обратной квадратной пропорции до Луны.
Однако ему понадобится еще два десятилетия, чтобы полностью развить свои теории до такой степени, что он сможет предложить математические доказательства, как показано в Principia, Как только это было завершено, он сделал вывод, что та же самая сила, которая заставляет объект упасть на землю, была ответственна за другие орбитальные движения. Следовательно, он назвал это «универсальной гравитацией».
Различные деревья считаются «яблоней», которую описывает Ньютон. Королевская школа Грэнтем утверждает, что их школа приобрела оригинальное дерево, выкорчевала его и через несколько лет доставила в сад директора школы. Тем не менее, Национальный фонд, которому принадлежит доверие усадьбы Вулстхорпа (где вырос Ньютон), утверждает, что дерево все еще находится в их саду. Видно, что потомок оригинального дерева растет у главных ворот Тринити-колледжа в Кембридже, ниже комнаты, в которой жил Ньютон, когда учился там.
Вражда с Робертом Гуком:
С PrincipiaНьютон получил международное признание и приобрел круг поклонников. Это также привело к вражде с Робертом Гуком, с которым у него были проблемы в прошлом. С публикацией своих теорий о цвете и свете в 1671/72, Гук критиковал Ньютона довольно снисходительно, утверждая, что свет состоит из волн, а не цветов.
В то время как другие философы критиковали идею Ньютона, Хук (член Королевского общества, который проделал большую работу в области оптики) проклял Ньютона хуже всего. Это привело к ожесточенным отношениям между двумя мужчинами и к тому, что Ньютон едва не покинул Королевское общество. Тем не менее, вмешательство его коллег убедило его остаться и дело в конце концов затихло.
Однако с публикацией PrincipiaВновь возникли проблемы, когда Гук обвинил Ньютона в плагиате. Причина обвинения была связана с тем фактом, что в начале 1684 года Гук сделал комментарии Эдмонду Галли и Кристоферу Рену (также членам Королевского общества) об эллипсах и законах движения планет. Однако в то время он не представил математического доказательства.
Тем не менее, Гук утверждал, что он открыл теорию обратных квадратов и что Ньютон украл его работу. Другие члены Королевского общества считали обвинение необоснованным и требовали, чтобы Гук выпустил математические доказательства, подтверждающие это утверждение. Тем временем Ньютон удалил все ссылки на Гука в своих заметках и пригрозил отозвать Principia от последующей публикации в целом.
Эдмунд Халли, который был другом Ньютона и Гука, пытался заключить мир между ними. Со временем он смог убедить Ньютона включить совместное признание работы Гука в его обсуждение закона обратных квадратов. Однако, это не успокоило Гука, который поддерживал его обвинение в плагиате.
Время шло, слава Ньютона продолжала расти, а слава Гука - уменьшаться. Это заставило Гука стать все более озлобленным и более защищенным от того, что он рассматривал как свою работу, и он не пожалел возможности наброситься на своего соперника. Вражда, наконец, закончилась в 1703 году, когда Гук умер, и Ньютон сменил его на посту президента Королевского общества.
Другие достижения:
В дополнение к его работе в астрономии, оптике, механике, физике и алхимии, Ньютон также проявлял большой интерес к религии и Библии. В течение 1690-х годов он написал несколько религиозных трактатов, посвященных буквальному и символическому толкованию Библии. Например, его трактат о Святой Троице, отправленный известному политическому философу и социальному теоретику Джону Локку и неопубликованный до 1785 года, поставил под сомнение достоверность 1 Иоанна 5: 7, описание, на котором основана Святая Троица.
Более поздние религиозные работы - как Изменена хронология древних царств (1728) и Наблюдения за пророчествами Даниила и апокалипсисом святого Иоанна (1733) - также оставался неопубликованным до его смерти. В Kingdomsон имел дело с хронологией различных древних царств - первых веков греков, древних египтян, вавилонян, мидийцев и персов - и предложил описание храма Соломона.
В пророчестваон обратился к Апокалипсису, как предсказано в Книга Даниила а также Revelationsи поддержал его убеждение, что это произойдет в 2060 году нашей эры (хотя другие возможные даты включали 2034 год нашей эры). В его текстовой критике под названием Исторический отчет о двух заметных искажениях Писания (1754), он поместил распятие Иисуса Христа 3 апреля 33 года н.э., что согласуется с традиционно принятой датой.
В 1696 году он переехал в Лондон, чтобы занять пост начальника Королевского монетного двора, где он взял на себя ответственность за великое воссоединение Англии. Ньютон оставался на этом посту 30 лет и был, пожалуй, самым известным Мастером Монетного двора. Он настолько серьезно относился к своей роли, что в 1701 году он ушел из Кембриджа, чтобы контролировать реформу валюты Англии и наказание фальшивомонетчиков.
Будучи Стражем, а затем и Мастером Королевского монетного двора, Ньютон подсчитал, что 20 процентов монет, полученных во время Великого Перекупления 1696 года, были поддельными. Проведя множество расследований лично, Ньютон замаскированно отправился в таверны и бары, чтобы собрать улики, и провел более 100 перекрестных допросов свидетелей, информаторов и подозреваемых, что привело к успешному судебному преследованию 28 поддельных монетщиков.
Ньютон был членом парламента Англии в Кембриджском университете в 1689–90 и 1701–2. Помимо того, что он был президентом Королевского общества в 1703 году, он был сподвижником Французской академии наук. В апреле 1705 года королева Энн провела рыцари Ньютона во время королевского визита в Тринити-колледж в Кембридже, что сделало его вторым ученым, посвященным в рыцари (после сэра Фрэнсиса Бэкона).
Смерть и наследие:
К концу своей жизни Ньютон поселился в Крэнбери-парке возле Винчестера вместе со своей племянницей и ее мужем, где он оставался до самой смерти. К этому времени Ньютон стал одним из самых известных людей в Европе, и его научные открытия не подвергались сомнению. Он также разбогател, мудро вкладывая свои значительные доходы и дарив значительные пожертвования на благотворительность.
В то же время физическое и психическое здоровье Ньютона стало ухудшаться. К тому времени, когда ему исполнилось 80 лет, у него начались проблемы с пищеварением, и ему пришлось резко изменить свое питание и образ жизни. Его семья и друзья также начали беспокоиться о его психической стабильности, поскольку его поведение становилось все более и более хаотичным.
Затем, в 1727 году, Ньютон испытал сильную боль в животе и потерял сознание. Он умер во сне на следующий день, 2 марта 1727 года (юлианский календарь; или 31 марта 1727 года, григорианский календарь) в возрасте 84 лет. Он был похоронен в гробнице в Вестминстерском аббатстве. И как холостяк, он передал большую часть своего имущества родственникам и благотворительным организациям в последние годы.
После его смерти волосы Ньютона были осмотрены и обнаружены в них ртуть, вероятно, в результате его алхимических поисков. Отравление ртутью было названо причиной эксцентричности Ньютона в более позднем возрасте, а также нервного срыва, которое он испытал в 1693 году. Слава Исаака Ньютона еще больше возросла после его смерти, так как многие из его современников провозгласили его величайшим гением, который когда-либо существовал. жил.
Эти претензии были не безосновательны, так как его законы движения и теория всемирного тяготения были в свое время бесподобны. Помимо возможности объединить орбиты планет, Луны и даже комет в одну последовательную и предсказуемую систему, он также изобрел современное исчисление, произвел революцию в нашем понимании света и оптики и установил научные принципы, которые останутся в использовании для следующие 200 лет.
Со временем многое из того, что поддерживал Ньютон, окажется ошибочным, во многом благодаря Альберту Эйнштейну. Своей Общей теорией относительности Эйнштейн докажет, что время, расстояние и движение не являются абсолютными, а зависят от наблюдателя. При этом он отменил одну из основных заповедей всемирного тяготения. Тем не менее, Эйнштейн был одним из величайших поклонников Ньютона и признал большой долг перед своим предшественником.
В дополнение к названию Ньютона «сияющим духом» (в реферате, произнесенном в 1927 году к 200-летию со дня смерти Ньютона), Эйнштейн также отметил, что «Природа для него была открытой книгой, письма которой он мог читать без труда». Говорят, что на своей учебной стене Альберт Эйнштейн держал фотографию Ньютона вместе с фотографиями Майкла Фарадея и Джеймса Клерка Максвелла.
В 2005 году было также проведено исследование Британского королевского общества, в ходе которого его спросили, кто больше повлиял на историю науки: Ньютон или Эйнштейн. Большинство членов Королевского общества согласились с тем, что в целом Ньютон оказал большее влияние на науку. Другие опросы, проведенные в последние десятилетия, дали аналогичные результаты: Эйнштейн и Ньютон боролись за первое и второе места.
Нелегко жить в один из самых благоприятных периодов в истории. Более того, среди всего этого нелегко быть наделенным проницательностью, которая приведет к появлению идей, которые революционизируют науки и навсегда изменят ход истории. Но на протяжении всего этого Ньютон придерживался скромного отношения и суммировал свои достижения лучше всего известными словами: «Если я видел дальше, то стою на плечах гигантов.“
Мы написали много статей об Исааке Ньютоне для журнала Space. Вот статья о том, что открыл Исаак Ньютон, и статья об изобретениях Исаака Ньютона.
У Astronomy Cast также есть замечательный эпизод под названием «Эпизод 275: Исаак Ньютон».
Для получения дополнительной информации, ознакомьтесь с этой статьей от Общества Галилея об Исааке Ньютоне и некоммерческой группы, известной как Проект Ньютона.
Мы также записали целый эпизод «Астрономического актера» о гравитации. Послушайте, Эпизод 102: Гравитация.
